DEFINIZIONI

ALLELI: forme alternative di un locus genetico; un singolo allele per ciscun locus viene ereditato separatamente da ciascun genitore.

ESPRESSIONE GENICA: processo con cui l’informazione di un gene codificante viene convertita in uno specifico prodotto funzionale nelle strutture presenti e operanti nella cellula. L’espressione genica include la trascrizione in mRNA e la traduzione in proteina ma anche tutto ciò che è trascritto in RNA ma non tradotto in proteina (rRNA e tRNA).

GENE: unità fisica e funzionale fondamentale nella trasmissione di caratteri ereditari. Un gene è una sequenza ordinata di nucleotidi situati in una particolare posizione in un determinato cromosoma che codifica uno specifico prodotto funzionale (proteine o molecole di RNA).

LOCUS: posizione in un cromosoma di un gene o di un marker compreso il DNA in quella posizione. L’uso del termine locus è spesso limitato alle regioni di DNA che sono espresse.

MARKER: regione identificabile di un cromosoma (es. siti di taglio per enzimi di restrizione) la cui ereditabilità può essere monitorata.
I markers possono essre regioni di DNA codificante oppure segmenti di DNA di cui non si conoscono funzioni codificanti ma di cui si può determinare il pattern di ereditabilità.

DIPLOIDE: un intero set di materiale genetico consiste in coppie di cromosomi: un cromosoma derivante da ciascun set dei genitori. Presenza di due set di cromosomi omologhi, uno di origine materna e uno di origine paterna. Le cellule animali e vegetali somatiche, quindi esclusi i gameti, hanno un set diploide di cromosomi. Nelle cellule umane il corredo diploide comprende 46 cromosomi.

APLOIDE: presenza di un singolo set di cromosomi (metà del corredo completo) presente nei gameti di piante e animali (spermatozoo e cellula uovo). Una cellula umana aploide comprende 23 cromosomi.

AUTOSOMA: cromosoma non implicato nella determinazione sessuale. Negli umani ci sono 46 cromosomi di cui 22 paia sono autosomi e 1 paio sono cromosomi sessuali (X e Y).

CROMOSOMA: struttura fondamentale della replicazione genetica costituita da una molecola di DNA inpacchettata che srotolandosi forma la struttura lineare che comprende i geni.
Procarioti --> il DNA è circolare e l’intero genoma è contenuto in un solo cromosoma.
Eucarioti--> il genoma consiste in un certo numero di cromosomi nei quali il DNA è associato a diversi tipi di proteine.

ETEROZIGOSI: presenza di alleli differenti in uno o più loci in cromosomi omologhi.

OMOZIGOSI: presenza di alleli uguali in uno o più loci in cromosomi omologhi.

DOMINANTE: è necessario un solo allele di un gene per esprimere un tratto.

RECESSIVO: entrambi gli alleli di un gene devono essere uguali per esprimere un tratto.

PAIA DI BASI: due basi azotate (A-T o C-G) sono unite da legami deboli; i due filamenti di DNA sono mantenuti nella struttura a doppia elica da legami tra paia di basi.

POLIMORFISMO: differenze nella sequenza di DNA in ogni individuo.

GENOTIPO: combinazione delle varianti del DNA che si trovano in uno o più loci di un individuo. Totalità delle informazioni genetiche presenti nei cromosomi di un individuo. Il genotipo comprende allozimi, microsatelliti e sequenze informative (aplotipo).

EFFETTO WAHLUND: una popolazione composta da due subpopolazioni in equilibrio non è complessivamente un equilibrio perchè si evidenzia un eccesso di omozigoti rispetto a quanto previsto dall'equilibrio di HW: ci sono più omozigoti di quanti sono presenti nelle due popolazioni distinte.
Riduzione dell’omozigosità e aumento dell’eterozigosità quando taxa distinti vengono analizzati congiuntamente o quando sono ibridati. Ogni volta che la subpopolazione varia la frequenza genica la popolazione mostra un intero effetto Wahlund.

ISOLATE BREAKING: effetto opposto all’effetto Wahlund che si verifica quando popolazioni diverse si mischiano. In questo caso negli ibridi si avrà un aumento dell’eterozigosità. Se popolazioni prima divise si fondono la frequenza degli omozigoti per un dato allele diminuirà.

VARIABILITA’ GENETICA
La variabilità genetica è data dalla combinazione di 4 nucleotidi e può essere:
1. Interspecifica (tra specie)
2. Interpopolazioni (tra popolazioni)
3. Intrapopolazione (tra individui della stessa popolazione)
4. Intraindividuo (interna al singolo individuo).

Misure di variabilità genetica
1.Frequenze alleliche: probabilità con cui ritrovo una variante allelica nella popolazione.

Stima delle frequenze alleliche (se campionassimo tutti gli individui della popolazione non avremmo più la stima della frequenza di ogni allele ma il conto esatto….)

F(p) = F(A) = (2*omozigoti AA + eterozigoti)/2N cioè p = 1-q
F(q) = F(a) = (2*omozigoti aa + eterozigoti)/2N cioè q = 1-p

La stima delle frequenze alleliche può essere affetta da un errore e la VARIANZA dice quanto la stima è corretta o meno: più è vicina a 0 più i valori sono simili alla media.
La varianza è:
• indice statistico di dispersione
• quadrato della deviazione standard.

2.Polimorfismo: differenze nella sequenza di DNA di ogni individuo.
- complessivo del campione --> P = loci polimorfici/totale loci
- del singolo locus --> se l’allele più frequente ha frequenza non superiore alla soglia del 95%.
Polimorfismi: morfologici, elettroforetici, di restrizione, di lunghezza, di sequenza, di comportamento.

3.Eterozigosità: presenza di alleli differenti in uno o più loci in cromosomi omologhi.
- OSSERVATA: numero di individui eterozigoti per un locus in un campione. Probabilità di prendere un individuo eterozigote pescando a caso
- ATTESA: numero di individui eterozigoti per un locus attesi in caso di equilibrio di H.W. o di equilibrio mutazione-deriva. Probabilità di prendere un individuo eterozigote pescando a caso se la popolazione è in equilibrio di H.W. o in eq. mutazione-deriva. (1-omozigosità)
La mutazione apporta nuovi alleli (soprattutto rari) mentre la deriva rimuove alleli (soprattutto rari).

EQUILIBRIO DI HARDY WEINBERG (assenza di selezione, mutazione, migrazione e deriva genetica).
EVOLUZIONE: variazione delle frequenze alleliche (e genotipiche) nel tempo.
All’inizio del 1900, G. Hardy e W. Weinberg hanno sviluppato un modello matematico che permette di calcolare le frequenze genotipiche in popolazioni non soggette a forze evolutive.
Il modello è noto come “legge dell’equilibrio di Hardy Weinberg”. Questa legge sta alla base della teoria
dell’evoluzione.
Quando una popolazione è in equilibrio di Hardy Weinberg non ci sono forze evolutive che agiscono e la popolazione non evolve. Queste condizioni sono generalmente rare in natura. In realtà l’evoluzione delle popolazioni è continua e le frequenze alleliche cambiano.
Quando una popolazione non è in equilibrio di HW è chiaro che una o più forze evolutive stanno agendo su di essa.
Frequenze alleliche: p e q
Frequenze genotipiche: p2, 2pq, q2
Legge di HW: p2 + 2pq + q2 = 1 à AA + 2Aa + aa = 1

Assunzioni della legge di Hardy-Weinberg:
• Organismo diploide
• Riproduzione sessuata
• Generazioni non sovrapposte (nascita, crescita, maturità, morte prima della successiva generazione)
• Unione casuale
• Popolazione grande
• Mutazione trascurabile
• Migrazione trascurabile
• Selezione naturale trascurabile
• Random genetic drift trascurabile
• Mortalità indipendente dal genotipo
• Fertilità indipendente dal genotipo

TEST DEL X2
Dice se il confronto tra valori attesi e valori osservati è significativo secondo una distribuzione statistica (d.f). Verifico la corrispondenza tra valori previsti e reali confrontando il χ2 OSSERVATO con una curva teorica di distribuzione del χ2 per quel numero di gradi di libertà; si considera il valore soglia come quello che esclude il 5 % (0,05) superiore della distribuzione.
Gradi di libertà = numero di classi di dati – parametri stimati dai dati – 1
Per 1 df e soglia del 0,05 il χ2 teorico è pari a 3,8415.
χ2 = Σ(Oss-Att)2
Attesi
se χ2 osservato < χ2 teorico (3,8415) ACCETTO IPOTESI – SI EQ. HW se χ2 osservato > χ2 teorico (3,8415) SCARTO L’IPOTESI – NO EQ. HW

Geni x-linked
Si calcolano le frequenze alleliche osservate dal campione considerando separatamente le femmine e i maschi. Si calcolano le frequenze genotipiche attese separatamente per i due sessi e si ottiene un X2 complessivo.
χ2 = Σ(Oss-Att)2 femmine + Σ(Oss-Att)2 maschi
Attesi Attesi

DEVIAZIONE DALL’EQ. DI HW
EQ. HW – ACCETTO H0 – p-value>0,05 – pop =
Unione casuale
Popolazione grande
Mutazione-migrazione trascurabile
Mortalità indipendente dal genotipo
Fertilità indipendente dal genotipo

NO EQ. HW – RIFIUTO H0 - p-value<0,05 – pop≠
Inbreeding
Deriva genetica
Mutazione
Migrazione
Selezione sessuale-naturale

DERIVA GENETICA E’ una forza evolutiva in grado di alterare l’equilibrio di HW. E’ molto evidente in piccole popolazioni e può causare un aumento della frequenza di alleli patologici.
• Importanza evolutiva: cambiamento non adattativo (la nuova popolazione non necessariamente ha una fitness migliore della precedente).
• Importanza per la conservazione: perdita di diversità genetica (riduzione della frequenza allelica o perdita di alleli).
• Importanza biomedica: alleli patologici altrove rari possono essere comuni in piccole popolazioni. La probabilità che un allele venga perso o eliminato in una popolazione è uguale alla sua frequenza iniziale. La probabilità che un allele venga fissato è uguale ad 1-la freq. Iniziale.
Il tasso di cambiamento della frequenza allelica dipende dalla dimensione della popolazione. Più la popolazione è grande più l’effetto della deriva genetica è debole.
La deriva genetica caratterizza due tipi di eventi in una popolazione:
- Genetic bottlenecks
- Founder events

Genetic bottleneck (collo di bottiglia)
Riduzione drastica del numero di individui di una popolazione a seguito di catastrofi (epidemia, uragano, ecc.).
Non dipendente dal fenotipo e causa un cambiamento nelle frequenze alleliche: più gli alleli sono rari e più è facile perderli; rimangono gli alleli più frequenti.
Ne risulta una popolazione non rappresentativa dell’originale.
Ma la perdita di diversità allelica è più veloce della perdita di eterozigosità infatti gli alleli rari influenzano poco l’eterozigosità.

Founder event
Pochi individui colonizzano una nuova area lasciando la loro popolazione originale.
Non dipendente dal fenotipo e cambia le frequenze alleliche. Ne risulta una popolazione non rappresentativa dell’originale.

MIGRAZIONE (FLUSSO GENICO)
Scambio di alleli tra popolazioni che avviene quando individui emigrano o immigrano e si riproducono con individui di un’altra popolazione.
Aumenta la variabilità della popolazione perchè vengono introdotti nuovi alleli.
Se migrano molti individui ci può essere un fenomeno di bottleneck.

SELEZIONE NATURALE
Alleli favorevoli vengono trasmessi e diventano molto frequenti all’interno di una popolazione.
Selezione darwiniana in termini genetici (non solo di caratteri favorevoli). Si manifesta come: mortalità o fertilità differenziale di alcuni genotipi.
Selezione naturale non è sinonimo di evoluzione: la selezione naturale è un meccanismo, l’evoluzione è un processo.
La selezione naturale può provocare “evoluzione”. Ma l’evoluzione può essere dovuta anche ad altre cause; se non c’è componente genetica non c’è evoluzione in risposta alla selezione naturale.
La selezione naturale, anche se non l’unico, è un processo molto forte: è il principale processo che causa variabilità (evoluzione). È un meccanismo evolutivo adattativo. Aumenta la frequenza di alleli che danno un fenotipo più adatto all'ambiente.
Esempi:
- Melanismo della falena (UK, mimetismo)
- Selezione di varietà razze per allevamento
- Insetto stecco (mimetismo)
- Fringuelli di Darwin (adattamento a diverse risorse alimentari – radiazione adattativa)

RIPRODUZIONE NON CASUALE
Preferenze di individui per la riproduzione = Assortative mating (riproduzione preferenziale) es. tra individui con lo stesso genotipo (AA con AA) aumenta laprobabilità che A sia associato sempre ad A (es. alti con alti, bassi con bassi).
Riproduzione non casuale:
• Inbreeding: riproduzione tra individui imparentati cioè consanguinei quindi ↑ omozigoti e ↓ eterozigoti. Non altera le frequenze alleliche.
• Selezione sessuale: le femmine (o le piante) scelgono tra alcuni padri possibili per la propria prole quello che ritengono ideale per le risorse genetiche con le quali può contribuire. Aumenta la frequenza dei geni di un “certo padre o alcuni padri”.

MUTAZIONE
Cambiamenti nella sequenza di DNA che vengono ereditati.
Le frequenze alleliche cambiano se ad es. A diventa a, a diventa A, A scompare, a scompare, un nuovo allele viene introdotto (b, c…).
La mutazione è un meccanismo che spesso incide poco poiché il meccanismo di correzione del DNA elimina la mutazione.
È l’unico modo per creare nuovi alleli e contribuisce a creare il “nuovo ambiente su cui agisce la selezione naturale”.

FLUSSO GENICO E GENETICA DI POPOLAZIONE
POPOLAZIONE: gruppo di individui di alcune specie che convivono nello stesso spazio e allo stesso tempo e hanno l’opportunità di interagire gli uni con gli altri. Gruppo di individui in cui i membri possono potenzialmente accoppiarsi con altri membri.
Le stesse forze evolutive che determinano differenze genetiche tra specie, agiscono anche sulle popolazioni. Nelle popolazioni determinano POLIMORFISMI, tra le specie determinano DIVERGENZA.

Indici di fissazione:
FIS: variabilità all’interno della subpopolazione (coeff. di imbreeding)
- FIS negativo: basso o nessun imbreeding
- FIS positivo: alto imbreeding
FIT: variabilità all’interno della subpopolazione inteso come coeff. di imbreeding interno alla popolazione.
FST: misura del tasso di panmissia tra subpopolazioni. Indice di distanza genetica tra popolazioni. Confronta due valori attesi di eterozigosità ed è sempre positivo: tra 0 (genetic. diverse) e 1(geneticam. uguali).

Raccolta non invasiva dei campioni:
- Pelo (hair)
- Piume (feathers)
- Saliva (spit)
- Latte (milk)
- Feci (excrements).